Теория и практика современной сепарации в тяжелых средах. Моделирование результатов тяжелосредного обогащения

Н. И. Коннова 
С. В. Килин

Монография 

Институт цветных металлов и материаловедения

Теория и практика современной 
сепарации в тяжелых средах. 
Моделирование результатов 
тяжелосредного обогащения

В монографии изложены результаты изучения возможности обогатимости полезных ископаемых в лабораторных условиях, построения кривых обогатимости, рассмотрены возможности моделирования результатов обогащения по полученным кривым (плотности разделения, 
выходу и зольности концентрата и выходу промежуточного 
продукта и хвостов), а именно: моделирования сепарационного процесса тяжелосредного обогащения, которое позволяет решить проблему прогнозирования и уменьшить 
различия между теоретическими расчетами и реальными 
результатами обогащения.

9 785763 828405

ISBN 978-5-7638-2840-5

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 
СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Н. И. Коннова 
С. В. Килин 
 
 
ТЕОРИЯ  И  ПРАКТИКА  СОВРЕМЕННОЙ   
СЕПАРАЦИИ  В  ТЯЖЕЛЫХ  СРЕДАХ.  
МОДЕЛИРОВАНИЕ  РЕЗУЛЬТАТОВ   
ТЯЖЕЛОСРЕДНОГО  ОБОГАЩЕНИЯ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2013 

 

УДК 622.766 
ББК  33.4 
К646 
 
Рецензенты: 
Н.Ф. Усманова, канд. техн. наук, научный сотрудник лаборатории освоения недр ИХХТ СОРАН 
Л.П. Пехова, ведущий специалист-эксперт отдела геологического 
надзора и охраны недр Управления Росприроднадзора по Красноярскому краю 
 
 
 
Коннова, Н.И. 
К646 
 
Теория и практика современной сепарации в тяжелых средах. Моделирование результатов тяжелосредного обогащения: 
монография / Н. И. Коннова, С. В. Килин. – Красноярск: Сиб. 
федер. ун-т, 2013. – 118 с. 
ISBN 978-5-7638-2840-5 
 
В монографии изложены результаты изучения возможности обогатимости полезных ископаемых в лабораторных условиях, построения кривых 
обогатимости, рассмотрены возможности моделирования результатов обогащения по полученным кривым (плотности разделения, выходу и зольности концентрата и выходу промежуточного продукта и хвостов), а именно: 
моделирования сепарационного процесса тяжелосредного обогащения, которое позволяет решить проблему прогнозирования и уменьшить различия 
между теоретическими расчетами и реальными результатами обогащения.  
Монография предназначена для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 130400.65 «Горное дело» специализации 
130400.65.00.06 «Обогащение полезных ископаемых», будет полезна для 
инженерно-технических работников, занятых в сфере переработки полезных ископаемых, а также может быть использована студентами других металлургических и горных специальностей.  
 
УДК 22.766 
ББК 33.4 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2840-5 
© Сибирский федеральный  
университет, 2013  

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Введение ........................................................................................................  
5 
 
Глава 1. Технология  тяжелосредного  обогащения .............................  
9 
1.1. Область применения тяжелосредного обогащения ................  
9 
1.2. Свойства руд, обогащаемых в тяжелых суспензиях ...............  10 
1.3. Свойства тяжелых суспензий ....................................................  14 
1.4. Промышленные суспензии для тяжелосредного  
обогащения .................................................................................  17 
1.6. Регенерация тяжелых суспензий ..............................................  19 
 
Глава 2. Оборудование  для  тяжелосредного  обогащения ................  23 
2.1. Классификация и принцип действия тяжелосредных  
сепараторов .................................................................................  23 
2.2. Лабораторные аппараты для тяжелосредного обогащения ...  27 
2.3. Промышленные тяжелосредные сепараторы ..........................  31 
 
Глава 3. Практика  тяжелосредного  обогащения ................................  38 
3.1. Тяжелосредное обогащение цветных металлов и алмазов ....  38 
3.2. Тяжелосредное обогащение углей ............................................  44 
 
Глава 4. Исследование  на  обогатимость  в  тяжелых суспензиях  
в  лабораторных  условиях ........................................................  51 
4.1. Изготовление лабораторного оборудования для реализации 
цикла тяжелосредного обогащения .........................................  51 
4.1.1. Изготовление лабораторной тяжелосредной  
установки .........................................................................  51 
4.1.2. Испытания лабораторной тяжелосредной  
установки .........................................................................  53 
4.1.3. Изготовление размагничивающего аппарата ................  58 
4.2. Исследование на обогатимость угля Черногорского  
месторождения ...........................................................................  60 
4.2.1. Характеристика исходного материала и методика 
проведения опытов .........................................................  60 
4.2.2. Построение фракционных характеристик .....................  65 
4.2.3. Изучение возможности обогащения угля  
Черногорского месторождения по фракционным  
характеристикам..............................................................  73 
4.2.4. Изучение возможности обогащения угля  
Черногорского месторождения по кривым  
обогатимости ...................................................................  76 

Глава 5. Моделирование  результатов  тяжелосредного   
обогащения ...................................................................................  83 
5.1. Общие сведения о сепарационных характеристиках .............  83 
5.2. Сепарационные характеристики различных тяжелосредных 
сепараторов .................................................................................  88 
5.3. Моделирование теоретической сепарационной  
характеристики установки для обогащения в тяжелых  
средах ..........................................................................................  92 
5.4. Моделирование экспериментальной сепарационной  
характеристики установки для обогащения в тяжелых  
средах ..........................................................................................  96 
 
Заключение ...................................................................................................  112 
 
Библиографический  список .....................................................................  114 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В предлагаемой монографии рассматриваются процесс обогащения 
в тяжелых средах на пробе угля Черногорского месторождения, выполненное на кафедре ОПИ СФУ моделирование сепарационного процесса тяжелосредного обогащения, которое позволяет решить проблему прогнозирования и уменьшить различия между теоретическими расчетами и реальными результатами обогащения. Экспериментальная часть описанной работы 
была проведена авторами на разработанной и изготовленной на кафедре 
лабораторной установке. 
В отличие от других гравитационных методов, обогащение в тяжелых средах позволяет разделить минералы с разницей в плотности до 
100 кг/м3, что существенно ниже, чем, например, в отсадочных машинах. 
Обогащение в тяжелых средах позволяет на крупнокусковом материале 
выделить сразу до 30 % отвальных хвостов или разделить руду на сорта 
с целью ее дальнейшего обогащения по разным технологическим цепочкам, вследствие чего повышаются технологические показатели, производительность труда и экономическая рентабельность производства. 
На сегодняшний день не существует достаточного числа лабораторного тяжелосредного оборудования, которое максимально достоверно позволит моделировать результаты последующего производственного процесса обогащения минерального сырья в тяжелых суспензиях. 
Поэтому актуален вопрос об изучении возможности обогатимости 
полезных ископаемых в лабораторных условиях, построении кривых обогатимости и возможности моделирования результатов обогащения по полученным кривым (плотности разделения, выходу и зольности концентрата и выходу промежуточного продукта и хвостов). 
Процесс обогащения в тяжелых средах – это разделение минералов 
по плотности в гравитационном или центробежном поле в среде, плотность которой является промежуточной между плотностями разделяемых 
минералов [2, 36]. 
Сущность процесса заключается в том, что при погружении руды 
в тяжелую среду зерна, плотность которых меньше плотности среды, 
всплывают, а зерна, плотность которых больше плотности среды, тонут. 
Обогащение в тяжелых средах является наиболее эффективным гравитационным процессом, так как позволяет достичь четкого разделения по 
плотности. 
Диапазон крупности руды, обогащаемой тяжелосредной сепарацией, 
достаточно велик. Верхний предел крупности кусков исходного материала 
ограничивается конструктивными элементами сепаратора – возможностью 
выгрузки (прохода) осевших кусков через разгрузочные устройства и со

ставляет 250–300 мм для углей, для руд верхний предел крупности соответствует раскрытию компонентов руды 35–3 мм, нижний – зависит от 
эффективности классификации и извлечения среды 1–0,5 мм. 
Предварительное обогащение руд в суспензиях позволяет выделить 
в отвальные хвосты от 25 до 80 % материала, что в 1,5–2 раза увеличивает 
производительность существующих обогатительных фабрик, при этом капитальные затраты окупаются в 1–1,5 года, а себестоимость переработки 
руды снижается на 25–30 %.  
Такая технология характерна практически для всех обогатительных 
фабрик Италии, перерабатывающих полиметаллические руды, Зыряновской обогатительной фабрики, проектируемых фабрик по переработке 
окисленных железных руд шахтной добычи Кривбасса и др. 
Во всех угледобывающих странах мира наблюдается резкое ухудшение качественных характеристик добываемых углей, что объясняет основные причины высоких темпов развития тяжелосредного обогащения 
[2, 36]. 
К отличительным особенностям метода обогащения в тяжелых средах относят: 
 простоту регулирования и удобство автоматизации технологического процесса; 
 малую чувствительность к колебаниям нагрузки и качественному 
составу питания (в пределах производительности оборудования); 
 возможность эффективного обогащения материала с трудной 
и  очень трудной характеристиками обогатимости и повышенным содержанием породы; 
 возможность разделения обогащаемого сырья в широком диапазоне крупности (от самых крупных штучных кусков до измельченного материала); 
 высокую точность разделения, обеспечивающую минимальное засорение товарных продуктов и отходов посторонними фракциями; 
 возможность разделения в широком диапазоне плотности от 1 300 
до 2 200 кг/м3 с предельно точной регулировкой плотности разделяющей 
среды; 
 незначительное нарушение гранулометрического состава обогащаемого материала и возможность удаления размокаемой породы в начале 
технологической схемы. 
В зависимости от качественной характеристики обогащаемого материала, требований потребителей и конкретных условий тяжелосредное 
обогащение может производиться в одну (с выделением двух продуктов) 
или в две (с выделением трех продуктов) стадии, причем нижний предел 
крупности обогащаемого угля может изменятся в широких пределах (до 
0,5 мм) [7]. 

Суспензионный процесс рекомендуют использовать для обогащения коксующихся углей всех категорий обогатимости при условии, если 
содержание класса крупнее 10 (13) мм не менее 15–20 %; для энергетических углей, кроме добываемых гидроспособом, – при глубине обогащения 
до 6 (13) мм.  
С учетом технико-экономических факторов и глубины обогащения 
суспензионный процесс применяют в комбинации с отсадкой, магнитной 
сепарацией, флотацией, промывкой, концентрацией на столах и др. 
При эксплуатации бедных и маломощных месторождений, когда 
строительство стационарных обогатительных фабрик экономически невыгодно, для обогащения в тяжелых суспензиях могут использоваться передвижные установки. 
По литературным данным, более 300 зарубежных фабрик и установок общей производительностью 30 тыс. т/ч обогащают в тяжелых суспензиях различные руды [36]. Из них более 50  % обогащают руды черных металлов, 10 % – цветных и редких металлов, около 30 % – неметаллические 
полезные ископаемые (уголь, графит, алмазы и др.), и 10 % фабрик обогащают полезные ископаемые, применяемые в строительной промышленности (известь, гравий и др.).  
Применение обогащения в тяжелых суспензиях предусматривается 
на многих действующих и вводимых в эксплуатацию месторождениях. 
Процесс обогащения в суспензиях освоен на углеобогатительных фабриках 
Донбасса, Карагандинского и Кузнецкого бассейнов, на обогатительной 
фабрике Донского горно-обогатительного комбината для обогащения хромовых руд, обогатительной фабрике «Дарквети» Чиатурского комбината 
для обогащения марганцевых руд, Зырянском и Краснореченских комбинатах для обогащения полиметаллических руд, Текелийском свинцовоцинковом комбинате, ПО «Каратау» для обогащения фосфоритовых руд. 
Результаты обогащения различного сырья в ферросилициевой суспензии 
представлено в табл. 1 [5]. 
 
Таблица 1 
Результаты обогащения различных полезных ископаемых  
в ферросилициевой суспензии 
 

Обогащаемое сырье 
Крупность 
материала, 
мм 

Плотность 
суспензии 
кг/м3 

Выход продуктов 
обогащения 

тяжелой 
фракции 
легкой 
фракции 

Свинцово-цинковая руда 
–40+4 
2750 
40 
60 

Свинцово-цинковая (отвалы) 
–30+1,6 
3000 
25 
75 

Гематит 
–42+5 
3100 
60 
40 

Алмазы 
–26+1,5 
3000 
7 
93 

Магнетит 
–80+6 
3000 
80 
20 

Окончание табл. 1 
 

Обогащаемое сырье 
Крупность 
материала, 
мм 

Плотность 
суспензии 
кг/м3 

Выход продуктов 
обогащения 

тяжелой 
фракции 
легкой 
фракции 

Калийная соль 
–30+3 
2120 
77 
23 

Речной гравий 
–40+10 
2600 
15 
85 

Сидерит 
–40+5 
3100 
84 
16 

Флюорит 
–40+2,6 
2800 
50 
50 

Оловянная руда 
–78+5 
2800 
30 
70 

Бурый железняк 
–8+3 
2800 
45 
55 

 
Перспективно применение суспензионного метода обогащения для 
переработки окисленных крупновкрапленных гидрогематито-мартитовых 
руд, россыпных руд и их смесей, а также крупнозернистых промежуточных продуктов промывочно-обогатительных фабрик и разубоженных руд 
шахтной добычи. В этом случае возможно произвести замену селективной 
добычи руды более экономичной массовой добычей с включением выемки 
боковых пород при разработке маломощных рудных месторождений [5].  
 
 
 
 
 
 

Глава 1 
 
ТЕХНОЛОГИЯ  ТЯЖЕЛОСРЕДНОГО  ОБОГАЩЕНИЯ 
 
 
Тяжелосредная сепарация, иначе называемая обогащением в тяжелой 
среде, по существу наиболее простой и один из наиболее широко применяемых процессов гравитационного обогащения при переработке как руды, так и угля. Это процесс, применяющийся для разделения минералов 
в жидкости или устойчивой суспензии заданной плотности, большей 
плотности самого легкого минерала и меньшей плотности самого тяжелого минерала. В этом отношении тяжелосредная сепарация отличается от 
всех других процессов гравитационного обогащения, где среда (в основном вода) имеет плотность ниже, чем все составляющие компоненты руды [7, 35]. 
 
 
1.1. Область применения  
тяжелосредного обогащения 
 
Существуют две главные области применения тяжелосредной сепарации. Она может быть использована для получения товарного продукта, 
например при обогащении угля (в качестве одного из двух главных способов отделения угля от сланца) или некоторых руд. В других случаях она 
может быть использована для получения отходов, дальнейшая переработка 
которых не оправдана. В последнем случае тяжелосредная сепарация применяется для предварительного обогащения и в таком качестве имеет особенно важное значение для извлечения алмазов и переработки руд сульфидных и окисленных металлов [5]. 
Диапазон крупности руды, обогащаемой тяжелосредной сепарацией, 
достаточно велик. Верхний предел крупности соответствует раскрытию компонентов руды, хотя сепарация частиц крупнее 300 мм не является общепринятой. Нижний предел крупности принимается 0,5 мм (для динамической 
тяжелосредной сепарации), однако он в большей степени зависит от эффективности классификации и извлечения среды, чем от самого процесса [7]. 
Тяжелосредная сепарация – наиболее простой из всех процессов гравитационного обогащения и один из тех, которые могут быть точно воспроизведены в лаборатории. 
В промышленности в основном используют суспензии сравнительно 
стабильные, имеющие небольшую скорость осаждения. В неподвижной 
ванне градиент плотности небольшой, увеличивающийся ко дну. Однако 
течения, связанные с движением частиц внутри ванны или с движением 

самого сосуда, будут уменьшать осаждение суспензии до минимума. При 
динамической сепарации силы, разделяющие тяжелые и легкие частицы, 
значительно больше.  
В типичном циклоне центробежная сила, действующая на частицу на 
входе, в 20 раз выше, чем сила тяжести в неподвижной ванне; к тому же 
она на порядок выше у песковой насадки. Тяжелосредная сепарация, контролируемая должным образом, имеет высокую точность разделения при 
плотности в пределах выбранной среды и очень высокую эффективность, 
даже в присутствии большой доли минералов близкой плотности. Плотность сепарации можно тщательно регулировать при обычных условиях 
с погрешностью до 5 кг/м3, но также можно быстро изменять, если этого 
требуют новые условия процесса [5, 7, 20, 35]. 
 
 
1.2. Свойства руд, обогащаемых  
в тяжелых суспензиях 
 
К основным свойствам, влияющим на обогатимость руды в тяжелых 
суспензиях, относят удельный вес минеральных компонентов; характер 
оруденения – текстурные и структурные особенности руды; количественные отношения минеральных компонентов руды [9]. 
Чем больше различие удельных весов минеральных компонентов руды, тем успешнее она обогащается гравитационными методами и, в частности, в тяжелых суспензиях. Руды с разностью удельных весов разделяемых 
компонентов, равной и большей 1 г/см3, при наличии других необходимых 
для разделения условий хорошо обогащаются в тяжелых суспензиях. Руды 
с различием удельных весов, меньшим 1 до 0,2 г/см3, относятся к удовлетворительно обогащающимся. При разности удельных весов от 0,2 до 
0,1 г/см3 руды еще могут обогащаться в тяжелых суспензиях, если рудные 
и нерудные агрегаты крупные. 
При различии удельных весов компонентов менее 0,1 г/см3 руды являются трудным объектом для обогащения в тяжелых суспензиях и, за исключением единичных случаев, когда обогащению способствует крупность агрегатов и их форма, не могут обогащаться разработанными в настоящее время способами в тяжелых суспензиях [5].  
Основным условием успешного разделения в тяжелых суспензиях 
является наличие относительно крупных минеральных агрегатов, отличающихся по удельным весам. Агрегаты эти могут быть рудными и нерудными. Наличие таких агрегатов в добытой рудной массе зависит от характера распределения рудных и нерудных включений и в меньшей степени 
от размера их. Если включение рудных минералов равномерное (рис. 1, а), 
то независимо от содержания их руда не может обогащаться в тяжелых 

суспензиях, так как даже при мелком дроблении в ней будет очень мало 
кусков, не содержащих рудных минералов. 
Руды же с неравномерной вкрапленностью рудных (или нерудных) 
минералов могут успешно разделяться в тяжелых суспензиях при относительно крупном дроблении (рис. 1, б). Это положение может не зависеть от 
размера самих рудных зерен. Существуют руды с мелкой, но гнездовой 
вкрапленностью рудных зерен, которые очень хорошо обогащаются в тяжелых суспензиях при относительно крупном дроблении (рис. 2) [9]. 
Однако, как правило, руды с крупными выделениями рудных минералов часто имеют неравномерную вкрапленность и являются более благоприятными объектами для обогащения в тяжелых суспензиях.  
 

 
 
 
а 
б 
 
Рис. 1. Обогатимость руды в тяжелых суспензиях в зависимости  
от характера вкрапленности минералов: а – тонковкрапленные руды с равномерной 
рассеянностью минералов; б – руды с неравномерной вкрапленностью 
 

 
а 
г 

 
б 
д 

 
 
в 
е 
 
Рис. 2. Обогатимость руды в тяжелых суспензиях в зависимости от характера  
вкрапленности минералов: а, б, в – руды с вкрапленностью, благоприятной для обогащения в тяжелых суспензиях; г, д, е – руды труднообогатимые в тяжелых суспензиях